Tryby operacyjne

Tryb operacyjny (ang. operating mode) procesora to po prostu pewien dobrze zdefiniowany tryb, w którym procesor zachowuje się w ściśle określony, charakterystyczny dla danego trybu sposób. Ciężko o formalną definicję tego pojęcia, ale myślę że zamieszczone niżej opisy trybów operacyjnych IA-32 (architektura potocznie zwana x86) i Intel 64 (architektura x86-64) rozwieją wszystkie wątpliwości.

Intel Architecture 32 bit (x86)

Architektura ta posiada 3 tryby operacyjne plus jeden quasi-tryb:

Real mode (tryb rzeczywisty) – inicjalny tryb pracy procesora, posiada interfejs programistyczny procesora Intel 8086 wraz z kilkoma rozszerzeniami – między innymi z możliwością przejścia do trybu chronionego. Dużo szczegółów poniżej.
Protected mode (tryb chroniony) – natywny tryb procesora, jeśli czytasz tę notkę z komputera PC, to bardzo prawdopodobne, że Twój procesor właśnie używa tego trybu. Tryb ten pozwala na użycie pełnego potencjału nowoczesnego procesora i to on będzie nam towarzyszył przez znacznie większą część programowania systemu operacyjnego. Dużo szczegółów wkrótce.
System management mode (tryb zarządzania) – bardzo nietypowy tryb, w którym mamy wysoko uprzywilejowane środowisko, pozwalające na zarządzanie energią, obsługiwanie krytycznych błędów itp. Na razie tryb ten nie będzie nas interesował.
Virtual-8086 mode – wspomniany quasi-tryb, który pozwala na uruchamianie programów przeznaczonych na procesor 8086 w trybie chronionym.

Intel 64 (x86-64)

Architektura ta posiada wszystkie tryby, które posiada IA-32 plus:

IA-32e mode, który posiada dwa podtryby:
- Compatibility mode (tryb zgodności) – podtryb pozwalający uruchamiać aplikacje 16 i 32-bitowe bez potrzeby rekompilacji ich dla procesora 64-bitowego. Co ciekawe, aplikacje działające w trybie Virtual 8086 nie będą działały w tym trybie.
- 64-bit mode – natywny dla 64-bitowego procesora tryb, który pozwala na korzystanie z dobrodziejstw architektury x86-64. Jeśli Twój system jest 64-bitowy, to najprawdopodobniej Twój procesor pracuje właśnie w tym trybie.

Warto wspomnieć, iż niektórzy wyróżniają tryb nazywany potocznie Unreal mode (tryb nierzeczywisty), jednak nie będę go opisywał.

Tryb rzeczywisty

Wady i zalety

Tryb rzeczywisty to inicjalny tryb procesora, który istnieje do dziś ze względu na inżynierów procesorów, którzy chcą zachować wsteczną zgodność z procesorami sprzed ery 80386. Jakie są tego konsekwencje? Niestety bardzo dotkliwe.

Nieco ponad 1 MiB adresowalnej pamięci, a faktycznie nieco poniżej 1 MiB pamięci do użycia
Brak zdecydowanej większości ficzerów architektury IA-32, w tym m. in.:
- Brak jakiejkolwiek ochrony pamięci, co za tym idzie – brak pamięci wirtualnej
- Brak wielowątkowośći/wieloprocesowości (nikłe możliwości emulacji)
- Każdy „proces” może wszystko – np. mazać dowolny fragment pamięci, wykonywać instrukcje systemowe itp.
- Niemożność użycia wszystkich rejestrów, które w trybie chronionym są ogólnodostępne
- Ograniczone i skomplikowane możliwości adresowania pamięci

Jedyne zalety trybu rzeczywistego, to dość bogate funkcje oferowane przez BIOS, z których będziemy mieli okazję skorzystać.

Adresowanie

Adresowanie w trybie rzeczywistym nie odbywa się w typowy, liniowy sposób. Pamięć adresowana jest w następujący sposób:

Segment : Przesunięcie

Tak zaadresowana pamięć mapowana jest na fizyczny adres o postaci:

16 * Segment + Przesunięcie

Dziwne, prawda? Jeszcze dziwniejsze jest to, że pojedynczy adres fizyczny ma wiele reprezentacji w formacie „rzeczywistotrybowym”, gdyż segmenty zachodzą na siebie. I tak np. 0x12B1 : 0x0069 odpowiada adresowi 0x12B79 (0x10 * 0x12B1 + 0x0069 = 0x12B79), natomiast 0x1000 : 0x2B79 odpowiada adresowi… 0x12B79! (0x10 * 0x1000 + 0x2B79 = 0x12B79).

Do dyspozycji mamy 6 16-bitowych rejestrów segmentowych: CS, DS, ES, FS, GS oraz SS. Stos obsługuje się używając pary rejestrów SS : SP.

Dostępne tryby adresowania to:

[BX + offset]
[SI + offset]
[DI + offset]
[BP + offset]
[BX + SI + offset]
[BX + DI + offset]
[BP + SI + offset]
[BP + DI + offset]
[offset]

Gdzie offset zawiera się pomiędzy -32768 oraz 32767.

Z adresowaniem związane jest jeszcze jedno ciekawe zjawisko, mianowicie, gdy segment ustawimy na 0xFFFF, natomiast przesunięcie na wartość pomiędzy 0x10, a 0xFFFF, to zaadresujemy 64 KiB powyżej granicy 1 MiB, co najprawdopodobniej zaowocuje „zawinięciem” pamięci. Dokładniej zjawisko to potraktujemy przy okazji omawiania linii A20.

Funkcje oferowane przez BIOS

BIOS oferuje do użycia w trybie rzeczywistym szereg funkcji dostępnych poprzez przerwania (o przerwaniach będzie jeszcze rozlegle w kolejnych odcinkach). Opis niektórych funkcji można znaleźć tu. Przykład użycia funkcji BIOS będzie można prześledzić w następnych częściach cyklu.

Podsumowanie

Jak widać, tryb rzeczywisty ma bardzo niewiele do zaoferowania programiście systemów operacyjnych. Tryb rzeczywisty powinien nam zatem posłużyć do szybkiego przejścia do trybu chronionego i ewentualnego wykonania niezbędnych czynności poprzedzających. Aha i tak, system operacyjny DOS działał w całości w trybie rzeczywistym :)